一種低熔點皮芯型聚乳酸復合纖維及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種低熔點皮芯型聚乳酸復合纖維及其制備方法，屬于雙組分復合纖維領域。
【背景技術】
[0002]聚乳酸是一種可生物降解的高分子聚合物，具有良好的機械性能及物理性能，適用于擠出、注塑、拉膜、紡絲等各種加工方法。可廣泛應用于醫療、衛生、藥學、農業、包裝業、紡織服裝業、汽車裝飾等領域，可大量替代傳統高分子材料。其產品從工業到民用涉及塑料制品、包裝食品、無紡布、工業及民用紡織面料、農用織物、保健織物、抹布、一次性高檔衛生用品、室外防紫外線織物、帳篷布、地墊等等。因其原料可再生，產品可降解，作為21世紀新興節能環保材料市場前景十分看好。
[0003]聚乳酸及其共聚物的纖維制備可采用溶液干法紡絲和熔融紡絲來實現。但溶液法紡絲的工藝較為復雜，溶劑一般有毒并且回收困難。相比之下熔法紡絲簡單易操作，因此更具優勢。由于低熔點聚乳酸(110-135Γ)熔點低相對黏度較高，較高加工溫度下極易降解，170°C下降解率達40%左右，可紡性較差，可將其與其它材料混合制備雙組分纖維，低熔點聚乳酸作為對纖維強度貢獻值低的組分應用。
[0004]雙組分纖維可有多種復合方式，如皮芯和偏皮芯、并列和中空并列及偏中空并列、帶中心橘瓣和無中心橘瓣、條紋和海島及導電、三葉和異型及混合型等。也可以應客戶要求進行專門設計，生產更多不同橫截面纖維。從經濟前景看，截面是最重要的。一般而言，每種類型的雙組分纖維有不同的用途。一種是生產自卷曲纖維或者螺旋卷曲纖維，這種方式生產可避免機械或空氣動力學手段進行卷曲加工時存在未卷曲情況，此外自卷曲纖維的回復性較好。因此自卷曲纖維可以像纖維填充材料一樣使用。纖維自卷曲的理論是依據兩種材料的不同熱收縮性能，選用的纖維截面是并列型和偏心皮芯型，許多不同聚合物材料可組合使用。
[0005]目前雙組分纖維的另一種重要用途是改善纖維的熱粘合性能以適合非織造生產的需要。通過熔融較低熔點組分，使纖維粘合為非織造布。這種工業上應用的熱粘合非織造布采用皮芯型纖維，其皮層材料熔點較芯層的低，常規熔點的組分作芯層、低熔點組分作皮層，可以使生產工藝簡化，成本降低。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種低熔點皮芯型聚乳酸復合纖維，其中皮層為低熔點聚乳酸(COPLA)，芯層為紡絲級聚乳酸(PLA)，皮層完全包裹芯層，皮層重量占復合纖維總重量的25-40%。
[0007]其中，所述低熔點聚乳酸的熔點為110-135°C，所述低熔點聚乳酸是通過在丙交酯聚合時降低D-丙交酯的含量得到的，制備過程難度較大。紡絲級聚乳酸的熔點為155-190°C，二者熔融指數相近。
[0008]所述復合纖維的纖維纖度1.1-13.2dtex,纖維強度為1.0-3.5g/d，斷裂伸長為15_55mm0
[0009]本發明還提供了所述復合纖維的制備方法，通過低熔點聚乳酸與紡絲級聚乳酸熔法紡絲制備得到，包括:
[0010]I)將低熔點聚乳酸和紡絲級聚乳酸分別進行干燥；
[0011]2)將干燥后的低熔點聚乳酸和紡絲級聚乳酸分別熔融后，經計量栗定量輸入復合紡絲組件；兩種紡絲熔體在復合紡絲組件中隔離的腔內分別流動，在出噴絲板時混合形成皮芯結構的聚乳酸原絲絲束；
[0012]3)對紡出的原絲絲束進行冷卻成型；
[0013]4)對冷卻定型后的絲束依次進行空氣牽伸、水浴牽伸和熱定型；
[0014]5)熱定型后的絲束進入卷曲機進行卷曲、切斷和打包。
[0015]進一步地，所述方法的具體步驟包括:
[0016]I)將低熔點聚乳酸和紡絲級聚乳酸分別進行干燥，至含水率低于50ppm ;
[0017]2)將干燥后的低熔點聚乳酸在170_200°C熔融、過濾后，經計量栗定量輸入復合紡絲組件中；同時，將紡絲級聚乳酸在200-230°C熔融、過濾后，經計量栗定量輸入復合紡絲組件中；在復合紡絲組件中，二種不同熔點的組分經過分配后匯合，從噴絲板孔中擠出成形；熔融采用特殊設計的單螺桿擠出機；
[0018]3)對紡出的原絲絲束進行冷卻成型；風溫控制15_30°C ；
[0019]4)對冷卻定型后的絲束依次進行空氣牽伸、水浴牽伸和熱定型，其中空氣牽伸的溫度為10-30°C，卷繞速度為1000-1300m/min ;水浴牽伸的溫度為50-55°C，牽伸輥速度為110-150m/min ;熱定型的溫度控制在95°C以下，定型棍速度為150m/min ；
[0020]5)熱定型后的絲束進入卷曲機進行卷曲，卷曲溫度為50-55°C，優選50°C，卷曲蒸汽壓力為(8-12) X 14Pa,優選為 9.8 X 14Pa0
[0021]根據本發明，步驟I)中，如果直接將聚乳酸濕態切片用于紡絲，切片在螺桿擠壓機塑化過程中會受熱發生熱降解，影響可紡性和纖維強度，因此需要對其進行干燥。本發明中，采用露點在-40°C以下的干燥空氣對低熔點聚乳酸切片進行干燥，干燥溫度為45-550C，干燥時間為6-8h，直至切片含水率降低至50ppm。采用露點在-40°C以下的干燥空氣對紡絲級聚乳酸切片進行干燥，干燥溫度為80-95°C，干燥時間為2h，再降溫至45-55°C，保溫6h，直至切片含水率降低至50ppm。
[0022]根據本發明，步驟I)中低熔點聚乳酸切片與紡絲級聚乳酸切片的重量比為(25-40): (60-75)，超出這一比例，纖維結構差，后加工時纖維皮芯結構會發生破裂。
[0023]根據本發明，步驟2)中，紡絲溫度的控制是生產低熔點皮芯型聚乳酸纖維的關鍵，應考慮皮層和芯層不同的物料特性，對兩種組分所在的管道溫度分別進行控制。在紡絲過程中，要求兩種組分在熔融狀態下的表觀黏度應接近(黏度比控制在1.08)。如果兩種組分表觀黏度相差太大，在紡絲過程中會出現熔體向高黏度一邊彎曲，嚴重時甚至黏附于噴絲板表面，造成纖維皮層和芯層分布不均勻。因此，設定低熔點聚乳酸熔體的管道溫度為160-180°C，紡絲級聚乳酸熔體的管道溫度為200-230°C，紡絲箱體溫度(同時也是復合紡絲組件和噴絲板的溫度)220-240°C，這樣纖維皮層和芯層分布均勻，在后紡牽伸時不易發生破裂。熔融采用高長徑比，高速低剪切的螺桿擠壓機進行，其長徑比為1:30-36，螺桿具備塑化、混合、低剪切降溫等性能。二種螺桿的分區溫度分別控制為190、210、210、205°C和150、170、170、165°C。
[0024]在本發明的具體實施例中，步驟2)中，所述復合紡絲組件為圓型隔板精密雙組分組件，在復合紡絲組件上設有噴絲板，所述噴絲板直徑< 420mm，噴絲板孔數< 5000孔，噴絲孔外形為圓形。
[0025]目前有幾種設計不同纖維截面的紡絲組件的技術，包括疊板技術、銷釘技術和隔板技術。在疊板技術中，兩種聚合物熔體細流通過雙組分纖維專用組件疊板被導入，在進入噴絲板之前形成共軛(雙組分)熔體流。銷釘技術是通過插入的銷釘，將適量的熔體細流導入每個微孔中。隔板技術主要適用于較簡單的截面，將一種組分的熔體細流從頂部導入微孔中，而另一種組份從側面通過一個計量隔板流入微孔中。本發明中優選使用隔板技術。對每種技術而言，主要根據每種聚合物熔體細流的壓力降設計噴絲板排布。除運用流體動力學程序計算聚合物流量外，可用解析式計算圓形和狹縫形孔的壓力降。
[0026]在本發明的具體實施例中，步驟3)中，選用的冷卻風溫為18-24 °C，風速為1.0-1.5m/so為保證初生纖維冷卻充分，冷卻裝置選用的紡絲甬道長于4.0m。原因是復合熔體細流在紡絲甬道內，經外環形或中心吹風冷卻，熔體黏度逐漸增加，直至固化成形。若冷卻不充分，熔體在出噴絲孔后由于皮層熔點較低，呈熔融態的初生纖維會黏連在一起。
[0027]根據本發明，步驟3)結束后通過前紡和熱處理對復合纖維進行上油。其中前紡是通過轉動的上油輪將油劑涂敷在復合纖維表面，以改善其可加工性。后處理采用噴嘴噴油的上油方式，應在牽伸和熱定型前進行，否則會降低纖維的抱合性。對于低熔點短纖維在后續非織造布的加工工藝而言，油劑的關系重大。前紡油劑可以使用滌綸油劑，后處理油劑選用美國高爾斯頓科技公司的特種纖維油劑XL-9，上油率為0.35-0.8%。該油劑使纖維手感更滑爽，非織造布加工性能也更好。
[0028]根據本發明，步驟4)中空氣牽伸作用為使絲束部分取向固化成型；接下來不采用常規聚乳酸短纖的水汽二段牽伸，而是在牽伸浴槽內進行一段水浴牽伸。然后進行下一段的緊張熱定型，熱定型通常在通入低壓蒸汽加熱的牽伸機中進行，將輥面溫度控制在105°C以下，優選95°C以下，是因為溫度過高會引起絲束板結。牽伸速度應低于常規短纖，如果速度過高絲束會出現拉斷現象。
[0029]在本發明的具體實施